樓曉明，周文海

（1．福州大學紫金礦業(yè)學院，福州350116；2．福州大學爆炸技術研究所，福州350116）

露天微差爆破延期時間選取

樓曉明1，2，周文海1

（1．福州大學紫金礦業(yè)學院，福州350116；2．福州大學爆炸技術研究所，福州350116）

闡述了露天微差爆破合理延期時間選取的影響因素，在分析國內(nèi)外關于最佳延期時間選取的研究基礎上，總結主要存在的幾大理論假說以及相關的理論計算和半經(jīng)驗數(shù)學模型，探析不同假說側重的不同影響因素以及各影響因素作用機理，并對幾種假說試用條件和優(yōu)缺點進行分析。為今后改善我國露天微差爆破效果和提高經(jīng)濟效益提供理論指導，同時根據(jù)具體工程實例和試驗指出微差延期爆破較普通逐排爆破的優(yōu)越性。

露天礦開采；微差爆破；爆破機理；延期時間選取

合理的露天微差爆破延期時間能夠改善爆破質(zhì)量、減少炸藥單耗、提高巖石破碎率、降低爆破振動、提高經(jīng)濟效益。通過研究表明，國內(nèi)外對于合理的露天微差爆破延期時間選取主要存在四種理論假說［1－4］：增加自由面假說、應力波干涉假說、巖石相互碰撞假說和最小抵抗線假說。而影響爆破延期時間選取的物理和動力學因素主要有巖石和炸藥密度、炮孔平均裝藥量、孔內(nèi)炸藥爆速、沖擊波傳播速度和威力、爆生氣體作用方式、二次波作用以及反拉伸波作用等。雖然這四種假說都是以影響爆破延期時間選取因素為基礎提出的，但是都沒有全面反映出各主要的影響因素，且各理論假說研究仍停留在半理論、半經(jīng)驗地尋求簡化計算的水平。本文將全面分析露天微差爆破延期時間選取的四種假說，以及歸納總結當下國內(nèi)外相關學者對于四種假說研究現(xiàn)狀，最后給出四種假說優(yōu)缺點以及相關改進措施，為以后相關研究提供理論依據(jù)。

1 影響露天微差爆破延期時間選取的四大假說

1．1 增加自由面假說

日野（日）［5］提出，起爆過程中先爆藥包為后爆藥包提供補充自由面，使得巖體側邊受到巨大的水平壓力，有效提高了爆破效果，而爆生氣體作用時間為10～100ms，故此作為適宜的微差爆破延期時間。

Khaukayev（俄）［6］提出，后爆藥包在先爆藥包形成自由面的基礎上利用反射拉射波的反射作用形成二次破碎。而反拉伸破壞關鍵取決于巖體波阻抗，其波阻抗率越大，破壞越為嚴重，給出適宜的微差爆破延期時間為25～60ms。

長沙礦冶研究院［7］研究指出，巖體破碎過程中，后爆藥包利用先爆藥包提供的爆生氣體以及應力場的作用下，在自由面中進一步提升了二次破碎效果，給出的適宜延期時間為25～50ms。后來又根據(jù)大冶鐵礦實驗得出孔間延期時間半經(jīng)驗公式［9］：

式中：t—延期時間，m/s；Q—炮孔平均裝藥量，kg；re、rr為炸藥和巖石的密度，kg/m3；D、vp—孔內(nèi)炸藥爆速和巖石縱波波速，m/s；Cr—巖石中應力波傳播速度，m/s；S—孔后部裂槽寬度，一般取10mm；υ—巖石移動平均速度，m/s。

排間延期時間的選取直接決定了爆后爆堆的松散度和爆堆形狀。其中影響松散度的最佳延期時間與排間距、巖石炸藥密度以及巖石硬度有關。其延期時間公式為：

式中：t0—排間延期時間，ms；S0—排間距離，m；H0—下落高度，m；v1—堵塞段飛行速度，m/s；v2—中部巖塊飛行速度，m/s。

前蘇聯(lián)哈努卡耶夫［8］通過大量實驗得出，首先起爆的藥包在形成爆破漏斗的同時，隨機被爆巖層與周邊巖層會形成0．8～l．0cm的裂紋裂隙，并且裂縫呈貫穿狀態(tài)。以此提出裂隙形成時間為最佳延期時間，給出按照巖石破裂過程時間累加的經(jīng)驗公式為：

式中：t1—彈性應力波傳至自由面并返回所經(jīng)歷的時間；t2—形成裂縫的時間；t3—破碎的巖石離開巖體距離S的時間；W—抵抗線值，m；vp—縱波速度，m/s；K2—系數(shù)，表示巖體裂隙在抵抗線方向發(fā)展過程，一般取2～3；S—破裂面移動距離，m；一般取0．1～0．3m；Cp—裂隙擴展速度；υ—巖石移動平均速度，m/s。

長沙礦冶研究院［9］通過利用自由面假說，對正負應力波進行研究，在上述模型基礎上給出修正經(jīng)驗公式為：

式中：K1、K2—正波傳播系數(shù)，K1＝1．25～1．80，K2＝9（φ－0．18），其中φ為炸藥與巖石的波阻抗比值；Q—炮孔平均裝藥量，kg；S—孔后部裂槽寬度，一般取10mm；υ—巖石移動平均速度，m/s。

在此基礎上，哈努卡耶夫［11］在主要考慮裂隙發(fā)展速度的前提下，提出：

式中：W—最小抵抗線；Vt—裂隙發(fā)展速度。

對于露天微差爆破延期時間研究，依據(jù)增加自由面理論所提出的經(jīng)驗公式大多以沖擊動力學為基礎，主要考慮爆破過程中爆生氣體、沖擊波以及反拉伸波作用時間，以此計算爆破延期時間。只有少數(shù)以爆破工藝入手，考慮了巖石和炸藥密度以及裝藥量因素，但以此為重點的理論觀點又較少考慮爆破動力學因素。所以僅僅以部分因素為基礎研究爆破微差時間很不合理，并且爆破效果不是很好。就裂隙發(fā)展速度這一因素而言，是一個很難監(jiān)測的量，只能依靠經(jīng)驗取值，然而不同的爆破環(huán)境，取值相差較大，所以僅靠個別因素估算微差爆破延期時間缺乏準確度。故此對于增加自由面假說理論研究露天微差爆破延期時間選取尚缺乏全面考慮各主要影響因素的新型爆破方案。

2．1 應力波干涉假說

露天微差爆破應力波干涉過程中會產(chǎn)生兩種作用效果，一種是增強爆破效果，另一種是控制和減弱爆破危害。所以對于應力波干涉假說分為兩種理論分別進行研究，前者是不考慮爆破保護作用的應力波疊加理論，后者是考慮爆破保護作用的減少爆破振動理論。

2．2．1 應力波疊加理論

Pokroviskyi（俄）［10－11］指出，先爆藥包產(chǎn)生的沖擊波首次經(jīng)過自由面反射后形成發(fā)射拉伸波傳到后爆藥包時起爆后爆藥包最為適宜，這時兩組波相互疊加，增加了巖石中的應力狀態(tài)，以此提高爆破效果。故給出的延期時間當小于巖石中振動的間隔時間，通常取4～5ms。

20世紀80年代，前蘇聯(lián)波克洛夫斯基［3，12］通過大量實驗研究對疊加理論進行了修正補充，提出爆破產(chǎn)生自由面的巖石之所以有較大位移和變形是由于先爆藥包產(chǎn)生的沖擊波和應力波的氣楔作用，當應力波減弱時，爆轟氣體破壞還未成為主要破壞形式時，炮孔內(nèi)膨脹壓力隨之減弱，孔壁產(chǎn)生反向拉伸波，此時為最佳起爆后爆藥包時間，據(jù)此，給出最佳延期時間半經(jīng)驗數(shù)學公式為：

式中：α—炮孔間距，m；Cp—壓應力波傳播速度，m/s；Q—單孔藥量，kg。

20世紀90年代，日本伊藤一朗［13－14］綜合各家理論，第一次將應力波疊加理論分為沖擊波的疊加和爆生氣體膨脹兩者共同作用來研究。分析指出，最佳的爆破效果時間不光是先爆藥包產(chǎn)生沖擊波通過自由面形成反拉伸波與后爆藥包產(chǎn)生沖擊波相互疊加的時間，并且后爆藥包正處于先爆藥包爆生氣體靜力場破壞的過程中。以此提出最佳延期時間為：

式中：W—最小抵抗線；Vt—裂隙發(fā)展速度。

2002年，White（美）［15－16］研究指出，露天微差爆破效果要得到改善，則后爆藥包起爆時間應當吻合于先爆藥包產(chǎn)生的沖擊波持續(xù)到后爆藥包起爆剛產(chǎn)生沖擊波時，這樣兩組沖擊波相互疊加，增強巖石應力狀態(tài)，同時有效地改善了大塊率。建議最佳延期時間為5～25ms。

根據(jù)應力波疊加理論選取爆破延期時間的優(yōu)點在于應力場的疊加，增大了爆轟波對介質(zhì)的作用，補充對土巖的破碎，從而較大地提高土巖的破碎效果，減少了土巖的寬度。但是，一方面大多學者研究側重點都在應力波疊加理論，很少有對爆生氣體膨脹作用破壞進行研究，且給出的延期時間相差較大，相對其他理論，延期時間偏小。另一方面在實際操作中很難準確把握延期時間段，國內(nèi)外也少有依據(jù)應力波疊加理論確定爆破延期時間的工程實例，雖有部分試驗給出半經(jīng)驗公式，不過，運用到具體工程實例難度較大，準確度也有待考察。最后，應力波疊加理論對于周邊建筑物很容易造成破壞，且不易控制爆破范圍，不兼有爆破保護的作用。比較適用于一些對于周邊環(huán)境安全考慮較少的大區(qū)爆破工程。延期時間偏小。

2．2．2 減少爆破振動理論

20世紀末，F(xiàn)ish．B（美）［17］提出，露天微差爆破振動作用的控制可依據(jù)合理的延期時間選取來實現(xiàn)?；诓▌訉W理論，可以使兩個相差半周期的地震波疊加，以此達到降低地震波振幅。給出最佳延期時間為8～25ms，并推出理論公式：

式中：Tn—第n段最佳延期時間；n—段別；Tz—介質(zhì)振動周期；m—總段數(shù)。

各學者研究表明，爆破對于建筑物安全影響主要取決于地震波頻率。以波動學為理論基礎，通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，當爆破地震波頻率和地表自振頻率達到共振時，會對地表建筑物產(chǎn)生嚴重破壞。爆破產(chǎn)生的地震波頻率通常不大于100Hz，但是當二者頻率處于10～40Hz和100～400Hz時會產(chǎn)生共振，從而激發(fā)更大的爆破振動，所以減少爆破振動理論應以10～40Hz波為研究對象。

2008年，張智宇等［18］基于上述理論，以穩(wěn)定優(yōu)勢頻率產(chǎn)生的最佳時間為基礎，通過研究優(yōu)勢頻率和爆破振動波譜圖，給出最佳延期時間：

式中：f—優(yōu)勢頻率，Hz。

2009年，前蘇聯(lián)有色冶金礦物研究院［19］依據(jù)減少爆破振動研究提出：為了達到爆破保護以及良好爆破效果，最佳的延期時間應該避開地震波疊加，特別是避開先爆和后爆炮孔產(chǎn)生的地震波在時間和空間上的疊加。這樣，一方面降低了地震效應，對周邊建筑物起到保護作用；另一方面，減少了整個爆區(qū)的總藥量，也有效控制每段最大藥量產(chǎn)生的爆炸能。給出的半經(jīng)驗公式為：

式中：dc—藥包直徑；q—單位炸藥消耗量；pc—裝藥密度；α—炮孔間距，m；r—裝藥作用半徑。

2010年，Kotai（匈）［20］指明，破巖理論主要因素是地震波的相互干擾，由于干擾的存在增強了爆破振動的時間。通過研究應力波波長和分析應力波縱波通過巖體的時間，給出延期最佳時間為15～20 ms。

露天微差爆破延期時間選取有關減少爆破振動理論優(yōu)點在于時間和空間分布上都減少了爆破振動的有害作用以及炸藥的單響用量。試驗資料表明，合理延期時間的微差爆破與一般爆破相比，其振動強度可降低1/3～2/3。但是在具體工程中，很難把握地震波振動頻率，而且也不容易把握波相位之間作用關系。今后有關露天微差爆破減少振動波理論研究方向應重點側重于試驗仿真模擬和計算機模擬，這樣既可以避免好多現(xiàn)場無法把控因素，又可以把爆破理論與國內(nèi)外研究較為前沿的沖擊動力學和波動學更好的融合，以此改善爆破效果。

2．3 巖石相互碰撞假說

20世紀末，Danselm（法）［21］關于巖石碰撞假說主要以二次破碎為基礎，提出先爆藥包應力波傳到后爆藥包，在應力波作用的同時起爆后爆藥包，此時間間隔為最佳延期時間。這一時期由于兩者振動波存在時差以及速度差，當前后巖塊相遇時會產(chǎn)生相互碰撞，形成補充破壞。給出最佳延期時間為25～50ms。

1992年，長沙礦冶研究院通過高清攝影對南芬露天礦的現(xiàn)場實測，得出了巖體在爆破后破碎的最佳時間為150ms左右，與此同時也進入了彈道拋擲和塌落階段狀態(tài)。同時由于巖塊移動的初始速度是14．6～25．0m/s，平均速度是11．3～12．0m/s［22］。所以在起爆第一炮孔后，松散巖塊還沒有落回地面時，相鄰的第二、第三響炮孔也已起爆，從而導致了破碎的巖塊相互碰撞，進一步增大了破壞效果。以上一系列過程可以總結為兩個重要過程計算孔間合理間隔時間Δt的半經(jīng)驗公式可參考公式（1）。

2003年，段海峰［23］在相關理論基礎上以回彈碰撞為依據(jù)提出了推墻和回彈假說。把前排和后排炮孔區(qū)分別劃分為回彈和主動位移區(qū)。最佳的延期時間就是依據(jù)巖石的劃分區(qū)而確定。具體模型：t1＞Δt＞t2，t1為回彈用時，t2為前排空破裂為后排空提供自由面時間。其中位移函數(shù)曲線為平拋曲線，最佳延期時間公式為：

式中：Δt—排間延期時間；b—排間距；ρ—爆堆松散系數(shù)；h1—底板上裝藥高度；S—前沖距離。

巖石相互碰撞理論實際上就是二次破碎理論，當后爆碎塊運動速度大于先爆碎塊，以致加強碰撞而補充破碎。該理論較多考慮爆破延期時間影響因素，對于爆破物理學和動力學因素都有考慮。利用該理論假說不僅節(jié)省了破碎能，減少了炸藥用量，提高爆破經(jīng)濟效益，最主要的是在具體工程中通過較少現(xiàn)場試驗就可得到合理延期時間，易于操作。當下該理論在國內(nèi)外眾多工程實踐中有效地和高清攝影、仿真模擬、實驗室模擬相結合，有效提高了爆破效果，就南芬露天礦而言，爆破效果至少相對以往傳統(tǒng)爆破提高1/3以上。該理論也是當下各國學者和工程實例中最為常見和研究的理論之一。

2．4 最小抵抗線假說

20世紀80年代，國內(nèi)一些學者認為巖石移動時間和抵抗線長度呈線性關系，巖石破碎移動的時間大概是應力波傳到自由面的5～10倍，并給出數(shù)學半經(jīng)驗公式［24－25］

式中：Δt—延期時間，ms；K—與巖石性質(zhì)、結構構造和爆破條件有關的系數(shù)。在露天臺階爆破條件下，通常取2～5；W—最小抵抗線，m。

同一時期瑞典的蘭格福斯［26］通過本國工程實例也給出相似結論。

1990年，由長沙礦冶研究院、北京科技大學和首鋼水廠鐵礦共同承擔的水廠鐵礦大區(qū)毫秒延時爆破技術研究，建立了預測臺階毫秒延時爆破合理延期時間半統(tǒng)計數(shù)學模型，其模型為［22］：

式中：W—爆區(qū)前排孔平均抵抗線，m；Cp—礦巖縱波傳播速度，m/s；Q—折合藥量，kg；γ0—礦巖容重，kg/cm3；Φ—炮孔直徑，m。

1993年，威拉德·博伊爾（加）［27］通過研究表明爆破過程中巖體位移與抵抗線成函數(shù)關系，并給出每米抵抗線需時間5～7ms。

2006年，長沙礦冶研究院［28］根據(jù)海南三亞鐵爐港特大型采石場深孔爆破工程給出最佳延期時間半理論公式為：

式中：W0—實際抵抗線，m，在清渣爆破條件下，取其為底盤抵抗線；在壓渣條件下為底盤抵抗線與壓渣折合抵抗線的和；f—普氏系數(shù)。

2009年，前蘇聯(lián)礦山部門［29］根據(jù)最小抵抗線理論給出的露天礦微差爆破延期時間公式為：

式中：k—巖石裂隙系數(shù)，對于裂隙不發(fā)育巖石k＝0．5，中等發(fā)育巖石k＝0．75，裂隙發(fā)育k＝0．9；f—普氏系數(shù)。

同年，波克羅弗斯基在此基礎上修正了該理論，給出合理的延期時間模型：

式中：α—炮孔間距，m；Cp—壓應力波傳播速度，m/s；W—爆區(qū)前排孔平均抵抗線，m。

利用最小抵抗線理論確定爆破延期時間是國內(nèi)工程實踐中最為常見的一種爆破方案，并且好多學者和研究機構都曾提出巖石的破壞和移動時間與最小抵抗線（或底盤抵抗線）成正比，也給出了不少相似的半經(jīng)驗公式。但多數(shù)半經(jīng)驗公式都有一正比系數(shù)K值，而且國內(nèi)外也沒有一個機構對于K值具體與哪些因素有關給出準確結論，有些機構定義為巖石性質(zhì)系數(shù)，有些機構定義為巖石裂隙系數(shù)等。所以這樣一來，對于K值的取值范圍也就無法確定，導致所確定的延期時間誤差較大，爆破效果也無法預測。

3 工程實例

本次試驗采用肩并肩對比，將青海威斯特露天銅礦4 278m平臺同一個爆區(qū)一分為二，一側為澳瑞凱逐孔延期爆區(qū)，一側為普通管逐排爆區(qū)［30－31］。逐孔延期爆區(qū)地表管時間為17、25、42、65ms，孔內(nèi)管采用14m腳線16段400ms延期時間雷管和7 m腳線17段425ms延期時間雷管。普通逐排爆區(qū)孔內(nèi)采用10段（380ms）雷管，排間采用3段（50 ms）延期雷管。起爆藥包為海西東諾產(chǎn)Φ32mm乳化炸藥，干孔采用海西東諾產(chǎn)巖石膨化硝銨炸藥，水孔采用Φ90mm水膠炸藥。

表1 爆破試驗參數(shù)表Table 1 Table of basting test parameters

圖1 爆破試驗連線圖Fig．1 The connection diagram of blasting test

圖2 爆破試驗等時線圖Fig．2 The time－contour chart of blasting test

通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，逐孔延期爆破較普通逐排爆破整體爆堆外形有很大改善，爆堆規(guī)整，拋擲合理，后沖龜裂較輕，邊界清晰。監(jiān)測表明，大塊率減少了20%左右，鏟裝效率也提高了10%～15%，盲炮率從原來的5．3%下降到2．7%，爆破安全現(xiàn)狀較以前有所改觀，根底狀況也有了明顯的改善，為下個臺階作業(yè)創(chuàng)造了較好的條件；爆區(qū)巖體裂紋裂隙、巖塊間振動孔隙、飛石控制以及臺階塌陷較以前有明顯改善，這樣不光對于后期鑿巖鉆孔提供了更好的作業(yè)環(huán)境，而且對于臺階成型以及最終邊幫的處理創(chuàng)造了優(yōu)越條件，提高了礦山生產(chǎn)效率，為礦山創(chuàng)造了不小的經(jīng)濟效益。

圖3 普通逐排爆破效果圖Fig．3 The effect of ordinary row blasting

圖4 逐孔延期爆區(qū)巖石較硬，普通管爆區(qū)前面有留渣，留渣上補孔7個Fig．4 A hard rock by hole delay blasting area，common tube explosion area in front of slag，leave a residue on the fill holes

圖5 逐孔延期爆區(qū)爆后沉降溝明顯，炮區(qū)整體前移，爆堆松散度良好Fig．5 Hole by hole detonation delay blasting area after sedimentation groove is obvious，the overall advancement of muckpile grounds，loose good

圖6 延期爆區(qū)挖掘完后沒有出現(xiàn)大塊、根底Fig．6 Delay blasting area after mining does not appear large，foundation

表2 4 278m平臺爆破分析表Table 2 The 4 278mplatform blasting analysis

4 結論

1）本文對國內(nèi)外有關露天微差爆破延期時間的選取研究進行梳理總結，在此基礎上分析了各理論的作用機理和各影響因素作用方式，并指出各理論的優(yōu)缺點和試用條件以及改進方向，為今后相關研究給出理論依據(jù)。

2）國內(nèi)外有關露天爆破延期時間的理論假設研究主要以兩種形式為主：1）以爆破工藝為基礎，大多建立在研究巖石和炸藥物理性質(zhì)以及爆破方案優(yōu)化的基礎上；2）以動力學和波動學為基礎，研究沖擊波和爆生氣體的發(fā)生、發(fā)展以及傳播形式對于巖體的破壞作用。建議今后研究應根據(jù)具體爆破環(huán)境和要求盡量結合多種主要影響因素，以期達到更好的爆破效果。

3）對于各主要影響因素兼顧的爆破試驗以及基礎理論很難成型，建議利用當下高新技術，將試驗仿真模擬、軟件模擬、高清攝影以及模型爆破試驗相結合的新型爆破理論運用到工程實踐中去，這樣不僅可以更全面地考慮各主要影響因素，提高爆破準確性，同時也有效地改善工程經(jīng)濟效益。

4）通過實驗表明，逐孔延期起爆技術較普通逐排爆破技術對于降低大塊率、保證幫平底齊、提高鏟裝效率、降低爆破振動以及提高礦山經(jīng)濟效益有著明顯效果。

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Selection of delayed time in millisecond blasting of open－pit mining

LOU Xiaoming1，2，ZHOU Wenhai1
（1．College of Zijin Mining，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China；2．Research Institute of Explosive Technology，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

This paper mainly expounds the influential factors to the selection of delayed time in millisecond blasting of open－pit mining．Based on the former study in the optimal delayed time，this paper summarizes several theoretical hypothesis and semi empirical mathematical models．Also，emphasis points and mechanism in different influential factors have been discussed．After systematic comparison，different applicable conditions，as well as advantages and disadvantages in different hypothesis are pointed out．Consequently，this paper offers theoretical guidance to the improvement of millisecond blasting in open－pit mining and economic revenue．In the meantime，on the basis of experimental data，millisecond blasting shows a better effect than traditional blasting．

open pit mining；millisecond blasting；mechanism of blasting；selection of delayed time

TD235．1

Α

1671－4172（2015）04－0082－07

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．019

福建省自然科學基金資助項目（2001J01310）；青海威斯特露天礦臨近高陡邊坡控制爆破技術研究項目（01051402）。

樓曉明（1972－），男，博士，副教授，采礦工程專業(yè)，從事爆破工程方向研究。

周文海（1989－），男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)，從事爆破工程方向研究。